Search

An autonomous tractor has a potential to be used in airport winter maintenance operation. A systems engineering approach is used to design autonomous snow removal system, based on a modern tractor and a sweeper blower. Current airport snow removal process is reviewed, described and used to create requirements for the system. A modern tractor has a fully automated steering assist system, which can control the steering a majority of the time. A driver is responsible for the safety, as a cruise control system maintains a constant speed. To enable autonomous work, the tractor should be able to monitor its surroundings. A sensory system with obstacle detection capability is required to ensure safe operation without a human driver. The existing software of a tractor should be modified to be able to control the speed and brakes of the machine. In addition, the current snow removal equipment needs automation to enable autonomous airport winter maintenance operation., Autonomista traktoria voitaisiin hyödyntää lentokentän talvikunnossapidossa. Tässä työssä autonomisen lumenpoistojärjestelmän suunnitelma on toteutettu Systems engineering-metodia hyödyntäen. Järjestelmän perustana toimivat traktori sekä sen perässä vedettävä harjapuhallinjärjestelmä. Työssä esitellään nykyinen prosessi lentokentän talvikunnossapitoon ja sen perusteella määritellään autonomisen järjestelmän vaatimukset. Moderneissa traktoreissa on automatisoitu ohjausjärjestelmä, joka voi olla vastuussa traktorin ohjauksesta suurimman osan ajasta. Kuljettajan vastuulle jää ympäristön havainnointi ja turvallisuus, sillä vakionopeudensäädin pitää yllä halutun nopeuden. Autonomisen työn mahdollistamiseksi traktorin tulee pystyä havainnoimaan sen ympäristöä. Jotta kuljettajan ei tarvitse istua ohjaamossa, on sen havainnointikyky korvattava sensori- järjestelmällä, joka pystyy tunnistamaan traktorin edessä olevat esteet. Traktorin nykyistä ohjelmistoa tulee muokata, jotta se pystyy kontrolloimaan nopeutta ja jarruja itsenäisesti. Lisäksi nykyistä harjapuhallinta on automatisoitava, jotta päästään vaadittavaan tarkkuuteen lumen poistossa.

A trend towards using more sophisticated information technology can be observed in agricultural applications. This trend has shifted and will continue to shift the focus towards precision farming, or more generally precision agriculture. In this thesis, a Decision Support System is proposed for the purpose of improving the efficiency of agricultural contracting in general. The work can roughly be divided into two parts. Firstly, a portable user interface is proposed for the purpose of informing and advising the operator. This is achieved using a client/server architecture using the 3G network for data transfer. Secondly, a heuristic algorithm for determining the optimal order of visits to job sites is developed based on the underlying mechanics of the contracting process. The user interface software was developed and implemented on an Android-capable device in Java programming language. Java was the choice for all other supporting software also. These include the server backend and ordering interface over the internet. For optimization purposes, a model of the contracting process was derived based on interviews with six contractors. The optimization algorithm was developed to be as general as possible so that it can be applied for most common crop farming tasks. The supported features are shortest path, time windows and resource constraints. The algorithm also allows dividing tasks into multiple subtasks with precedence constraints. Based on an existing meta-heuristic called Ant Colony Optimization, several modifications were made in order to be applicable for the constraints imposed by the derived model of the process. During the fall of 2012 data was collected from the operations of one test contractor. The data was analysed in detail, and a problem scenario was formed based on the collected data and solved using the developed algorithm. This yielded a route slightly shorter than the one actually taken., Maataloudessa on havaittavissa trendi kohti lisääntynyttä informaatioteknologian käyttöä. Tämä trendi luo pohjan uudelle maanviljelyparadigmalle, täsmäviljelylle. diplomityössä esitetään järjestelmä avustamaan maatalousurakointiin paatoksentekoa. Työ voidaan jakaa kahteen osa-alueeseen. Ensiksi käyttöliittymä kehitettiin vastaamaan urakoitsijan informaatiotarpeisiin kentällä. Käyttöliittymä toteutettiin palvelin/asiakas - arkkitehtuuria noudattaen ja tiedonsiirtoväylänä käytettiin langatonta 3G-verkkoa. Toiseksi urakoitsijan työsekvenssin optimoimiseksi kehitettiin heuristinen algoritmi urakointitoiminnasta muodostetun mallin pohjalta. Käyttöliittymä suunniteltiin sekä toteutettiin Android-yhteensopiville laitteille Java-ohjelmointikielellä. Samalla kielellä toteutettiin myös muut järjestelmän osat, kuten taustalla oleva palvelinsovellus sekä Internetin yli toimiva tilausjärjestelmä. Optimointia varten urakointiprosessista muodostettiin malli pääasiassa kuuden urakoitsijan kanssa tehtyjen haastattelujen perusteella. Optimointialgoritmi kehitettiin mahdollisimman yleiskäyttöiseksi, jotta sitä voidaan soveltaa useimpiin peltoviljelyssä tehtäviin töihin. Algoritmi kykenee laskemaan lyhyimmän reitin tehtävien välille ottaen huomioon tehtäville asetetut aikarajoitukset sekä eri tehtävien väliset järjestysrajoitukset. Algoritmi pohjautuu yleisesti tunnettuun Ant Colony Optimization -algoritmiin, johon tehtiin lukuisia muutoksia kehitetyn mallin asettamien sääntöjen ja rajoitusten johdosta. Syksyn 2012 aikana kerättiin dataa yhden maatalousurakoitsijan toiminnanharjoittamisesta. Kerätty data analysoitiin yksityiskohtaisesti, ja siitä muodostettiin ongelmaskenaario joka ratkaistiin kehitetyllä algoritmilla. Tuloksena saatiin reitti, joka on urakoitsijan todellisuudessa kulkemaa hieman lyhyempi.

The movement of a traditional three-point hitch of an agricultural tractor provides one degree of freedom. This limits the use of hitched implements and forces implement manufacturers to build additional hydraulics into the implement. In this research a tractor was instrumented to provide two rotational and two translational degrees of freedom for the rear hitch. The goal was to develop a control system which allows the operator to control the rear hitch in Cartesian space. To allow Cartesian control four different models of the inverse kinematics of the rear hitch were developed. Three of them were chosen for field tests based on feasibility for real-time control. First model was a geometrical one. A hybrid model used the iterative DLS-method for calculating the inverse kinematics for the lower links from the direct kinematic transform and rotation matrix for calculating the upper link control. Third model used DLS-method with a few modifications: the restriction for the lower hitch point span was considered as one state of the system and also the jacobian of the upper link was augmented to the inversed jacobian. Algebraic solution proved too complex and was thus not tested. For controlling the rear hitch a system of two ECUs was made. A PhyCORE MPC555-computer module was used to read analog measurements and control the cylinders of the rear hitch. A Toradex Colibri computer module was used to calculate the inverse kinematics and to handle communications with the user via a joystick and a virtual terminal. In software development Simulink C-code generation was utilized for both computers. A user interface for VT was also developed with PoolEdit. All three kinematical models provided logically correct behavior in the actual test tractor, with minor differences in repeatability and absolute accuracy. The system provides a good solution to situations where controllability of the implement is advantageous without requiring extra effort from the operator., Traktorin tavanomainen takanostolaite tarjoaa yhden ajon aikana ohjattavan vapausasteen. Monissa työtehtävissä olisi kuitenkin hyötyä nostolaitteen vapaammasta liikuteltavuudesta. Tässä tutkimuksessa instrumentoitiin testitraktori lisäsylinterein ja tarvittavin mittauksin siten että saavutettiin neljä ohjattavaa vapausastetta. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää kehittyneemmälle nostolaitteelle operaattorin kannalta helppokäyttöinen ohjaus, jossa yksittäisten sylinterien sijaan ohjataan nostolaitteen paikkaa ja asentoa karteesisessa avaruudessa. Jotta nostolaite olisi karteesisesti ohjattavissa, laadittiin nostolaitteesta neljä erilaista käänteistä kinemaattista mallia ja vertailtiin näitä. Ensimmäinen malli määritettiin nostolaitteen geometriasta työntövartta lukuun ottamatta, joka laskettiin rotaatiomatriisilla. Toisessa mallissa vetovarsien ohjaukset laskettiin iteratiivisella DLS-mallilla ja työntövarsi määritettiin rotaatiomatriisilla. Kolmas malli perustui myös DLS-ratkaisuun, mutta työntövarren jakobiaani oli augmentoitu varsinaisen nostolaitteen käännetyn jakobiaanin perään. Neljäs, algebrallinen malli osoittautui laskennallisesti monimutkaiseksi ja jätettiin siksi pois varsinaisista testeistä. Ohjausjärjestelmän testaamiseksi todellisessa laitteistossa laadittiin kaksitasoinen sulautettu ohjausjärjestelmä. PhyCORE MPC555 -tietokone suoritti analogisten mittausten luvun ja yksittäisten sylinterien ohjauksen. Toradex Colibri -tietokone kommunikoi käyttäjän kanssa virtuaaliterminaalin ja joystickin välityksellä, laski käänteisen kinemaattisen muunnoksen halutun karteesisen paikan perusteella ja lähetti sylinterien ohjaukset MPC:lle. Molempien tietokoneiden ohjelmistokehityksessä hyödynnettiin Matlabin Simulink-työkalun C-koodigenerointimahdollisuuksia. Nostolaitteelle toteutettiin myös virtuaaliterminaalikäyttöliittymä PoolEdit-työkalulla. Kaikki kolme testattua mallia toimivat loogisesti oikein ja tarjosivat käyttäjälle intuitiivisen ohjaustuntuman. Mallien

Koneiden tehokas käyttö on erityisen tärkeää rehunkorjuussa lyhyen korjuuajan ja koneiden kalleuden takia. Parhaan tehokkuuden saavuttamiseksi noukinvaunun kaltaisen korjuukoneen kuormituksen tulisi olla optimaalinen. Ylikuormitustilanteessa noukin voi tukkeutua, kun taas alikuormitus kuluttaa aikaa ja heikentää rehusilpun laatua. Laatua voidaan myös parantaa säilöntäaineen tarkalla annostelulla. Tässä diplomityössä kehitettiin kaksi ISO 11783 ohjainta parantamaan rehunkorjuun tehokkuutta. Ohjaimet kehitettiin käyttäen työkaluketjua, joka on suunniteltu ISO 11783 ohjainten kehitykseen. Työkaluketjun pääosat ovat Matlab Simulink C-koodin generoinnilla, PoolEdit ja siihen liittyvät parserit sekä Visual Studio ja Windows CE tietokonemoduuli. Rehun massavirtaa noukkimella estimoidaan Kalman-suotimella nopeuden, karhon koon, kuorman massan sekä kosteuden perusteella. Massaestimaatin perusteella säilöntäainetta voidaan levittää rehuun siten, että säilöntäaineen ja rehun suhde on optimaalinen. Traktorin nopeutta säädetään sumealla säätimellä koneen kapasiteetin, estimoidun massavirran sekä karhon koon perusteella. Lopputuloksena massavirta pysyy optimaalisena riippumatta karhon koon muutoksista eikä tukoksia pääse syntymään. Peltotesteissä laitteiston todettiin toimivan määrittelyn mukaisesti., Efficient use of machines is especially important in forage harvesting due to the short harvesting period and expensive machinery. To achieve the best efficiency, a harvesting machine, such as a loader wagon, should be used with optimal loading. Whereas overloading the machine can cause blockages in the cut-and-feed unit, underloading consumes more time and reduces the quality of the resulting silage. In addition, the quality can be improved by optimizing the dosage of the additive. In this thesis, two ISO 11783 compatible electronic control units were implemented for optimizing the harvesting process. The electronic control units were developed using a tool chain designed for developing ISO 11783 systems. The main parts of the tool chain are Matlab Simulink with C code generation, PoolEdit with the associated parsers, and Visual Studio with a Windows CE embedded target. Mass flow of forage in the cut-and-feed unit of the wagon is estimated with a Kalman filter according to tractor speed, swath size, mass of the load, and moisture content of the forage. The mass flow estimation is used to derive the optimal spreading rate of additive so that the ratio of additive and forage is precisely what is desired. The speed of the tractor is controlled with a fuzzy controller according to the capacity of the machine, the mass flow estimation, and the swath size. As a result, the mass flow in the cut-and-feed unit is always optimal regardless of the swath size and thus no blockages will be formed. In the field tests, the performance of the system proved to be in line with the specification.

Tämä diplomityö on tehty osana Farmix-tutkimusprojektia, jonka tavoitteina oli tutkia ja kehittää traktorin ja työkoneen integroitua automaatiota. Tässä työssä on kokeiltu ja kehitetty yhdistettyä traktorin ja hinattavan työkoneen navigointi-järjestelmää, joka käyttää hyväkseen sekä satelliitteihin pohjautuvaa globaalia paikannusjärjestelmää, että lokaalia edellisen työjäljen mittaavaa järjestelmää. Pääpaino työssä on keskittynyt eri polunseurantamenetelmiin. Käytetyt menetelmät olivat malliprediktiivinen säädin ja tähtäyspistemenetelmä. Navigointi-järjestelmä toteutettiin traktorin ja kylvölannoittimen yhdistelmälle käyttäen hyväksi näiden väyläpohjaista ohjausta. Työkoneen ohjaus toteutettiin kylvölannoittimen aisaan lisätyn ohjattavan nivelen avulla. Järjestelmää testattiin pelto-olosuhteissa. Testeissä aisan ohjauksesta osoittautui olevan hyötyä työkoneen hallinnassa. Lisäksi malliprediktiivinen säädin vaikuttaisi toimivan paremmin kuin erillisten säätimien yhdistelmä. Sääolosuhteiden takia kattavia testejä ei päästy tekemään. Työssä kuitenkin todennettiin perusjärjestelmän toimivuus ja saatiin uusia kehiteltäviä ideoita.